烟花笛音药的应用研究

杨 林, 刘 宁

（国家烟花爆竹产品监督检验中心，湖南 浏阳，410300）

笛音药一般是由氧化剂（高氯酸钾）和笛音剂（某些苯的衍生物）相混合的二元烟火药，装填在烟花筒体内，燃放时能产生音频达3 000～5 000Hz的悦耳笛音。一般认为，笛音药燃烧是一种不连续的脉冲燃烧[1]。燃烧时瞬间产生大量气体，瞬间又因热交换，气体冷凝而体积收缩，从而形成一伸一缩的振动，即形成声源。当笛音药装填在烟花筒体中燃烧时，这一振动又引起筒体内气体柱振动，产生共鸣，从而形成如同笛音的声响。因此，根据生产实际，笛音药燃烧产生笛音必需具备好的筒体、药物装填严实、有共鸣腔等条件，同时笛音药不同的组分及配比将直接影响到笛音效果。

20世纪70年代人们就使用水杨酸、苦味酸作为产生笛音效果的药物，由于水杨酸吸湿性大，苦味酸感度高、危险性大，已被国家标准禁止应用到烟花爆竹产品中。后来人们采用对（邻）苯二甲酸氢钾进行取代，但对这类物质用作笛音剂在烟花生产实际应用中的研究还未见报道。本实验通过测量笛音声级值，研究了笛音药不同组分和配比，以及加入可燃物对产生笛音的影响，并对用作笛音剂的物质结构及发声原理进行了初步探讨。

1 实验部分

1.1 试剂

除非另有说明，所用试剂均采用工业品一级，以期和生产实际一致。高氯酸钾；对苯二甲酸氢钾；邻苯二甲酸氢钾；对苯二甲酸；苯甲酸；水杨酸；苦味酸；酚醛树脂；对苯二甲酸钾（自制）；钛粉（98%）。

1.2 设备

声级计（TES-1350A）；铜管（φ6.0 mm×50.0 mm）。

1.3 测定方法

将混合均匀的笛音药装入铜管中，并压实。药物装填长度为 20mm，装填后密度达 1.2～1.4g/cm3。从药物表面引出烟花引火线，通过引火线引燃药物，按QB/T 1942-1994[2]规定方法测量笛音声级值。

2 结果与讨论

2.1 对苯二甲酸氢钾含量对笛音效果的影响

以对苯二甲酸氢钾作笛音剂，和高氯酸钾按不同比例配制笛音药，装入铜管中，按上述测定方法，分别测量声级值，结果见表1。

表1 对苯二甲酸氢钾含量对笛音效果的影响Tab.1 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen on whistling

实验表明，由对苯二甲酸氢钾和高氯酸钾配制的笛音药，随着高氯酸钾含量增加，燃烧中释放的氧气量增加，使燃烧反应速率增加，瞬间生成的气体增多，故声级值增加，同时燃烧反应放出的热量也随之增加，导致铜管被烧熔。因此，烟花笛音剂对苯二甲酸氢钾含量在28%～32%时较好。

2.2 粒度对笛音效果的影响

测量不同粒度的笛音药（对苯二甲酸氢钾30%、高氯酸钾70%）燃烧时产生的声级值，结果见表2。

表2 粒度对笛音效果的影响Tab.2 Effect of particle size on whistling

实验表明，笛音药的粒度越小，产生的笛音效果越好、越稳定。取0.063～0.075mm较为适宜。

2.3 对苯二甲酸代替相等量的对苯二甲酸氢钾对笛音效果的影响

对苯二甲酸氢钾与不同质量对苯二甲酸混合，然后与一定质量的高氯酸钾配制成笛音药，其声级值见表3。

表3 对苯二甲酸代替相等量对苯二甲酸氢钾对笛音效果的影响Tab.3 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by terephthalic acid on whistling

实验表明，加入1%～6%对苯二甲酸代替相等量的对苯二甲酸氢钾，配制的笛音药的声级值逐步变小。这可能是对苯二甲酸燃烧不产生或影响笛音效果的产生，故当对苯二甲酸氢钾中混入对苯二甲酸杂质时将降低笛音效果。

2.4 对苯二甲酸钾代替相等量的对苯二甲酸氢钾对笛音效果的影响

对苯二甲酸氢钾与不同质量对苯二甲酸钾混合，然后与相同质量的高氯酸钾配制成笛音药，其燃烧的声级值见表4。

表4 对苯二甲酸钾代替相等量的对苯二甲酸氢钾对笛音效果的影响Tab.4 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by potassium terephthalate on whistling

实验表明，加入 5%～20%对苯二甲酸钾代替相等量的对苯二甲酸氢钾，配制的笛音药的声级值逐步增大，即对苯二甲酸钾对笛音效果有增强作用，但其吸湿性增加，有待进一步改进。

2.5 不同成分配制的笛音药效果对比

将质量比 30%的对苯二甲酸氢钾、邻苯二甲酸氢钾、水杨酸和苦味酸分别与70%的高氯酸钾配制成笛音药，测量声级值，结果见表5。

表5 不同成分配制的笛音药效果对比Tab.5 Effect of ingredients of the whistling pyrotechnic composition on whistling

实验表明，对苯二甲酸氢钾、邻苯二甲酸氢钾、水杨酸和苦味酸分别与高氯酸钾配制的笛音药能产生基本相同的笛音效果，但用苯甲酸作笛音剂却不能产生笛音。从分子结构上分析，羧酸基、羟基、硝基与苯环同一平面，参与苯环的π电子轨道，产生共振效应。其中羧酸基是吸电子基团，当羧酸基和电负性小的钾生成盐后转变成强的推电子基团，由于推电子基团存在，增加了苯环上电子云密度，活化了苯环上的氢，使过渡态中开始形成的苯正离子稳定，加快了正碳离子的形成，使反应速率加快，所以对（邻）苯二甲酸氢钾能产生清脆的笛音。同理，尽管硝基是吸电子基团，但有强的推电子基团羟基存在，水杨酸和苦味酸也能产生笛音。

2.6 可燃物对笛音效果的影响

烟火药中经常需要加入可燃物，如酚醛树脂起黏合作用，钛产生银白光色。

2.6.1 酚醛树脂含量对笛音效果的影响

将质量30 g对苯二甲酸氢钾和70 g高氯酸钾混合，然后再与不同质量酚醛树脂配制成笛音药，燃烧中笛音的声级值见表6。

表6 酚醛树脂含量对笛音效果的影响Tab.6 Effect of the content of the phenolic resin on whistling

实验表明，酚醛树脂加入量大于3g时，笛音效果明显降低。这可能是酚醛树脂连续燃烧放出气体，破坏了形成声源所需的气体脉冲振动过程。因此，连续燃烧且释放气体的物质不宜过多加入笛音药中。

2.6.2 钛粉含量对笛音效果的影响

将质量30 g对苯二甲酸氢钾和70 g高氯酸钾混合，然后再与不同质量钛粉配制成笛音药，其燃烧的声级值见表7。

表7 钛粉含量对笛音效果的影响Tab.7 Effect of the content of the titanium powder on whistling

实验表明，钛粉加入量逐渐增加到 10g时，对笛音效果影响较小。这可能是钛粉燃烧生成固体颗粒，没有破坏形成声源所需的气体脉冲振动过程，同时获得银白色的光色效果。

3 结论

从通过实验中可以初步得出：

（1）以质量比30%对苯二甲酸氢钾和70%高氯酸钾配制的笛音剂燃烧能产生好的笛音效果，并且粒度越小效果越好。

（2）含有苯环结构且苯环上有推电子取代基的物质，与氧化剂混合后能发生脉冲燃烧，间断性放出大量气体产生振动，发出笛音。

（3）笛音药中加入连续燃烧且产生大量气体的可燃物会削弱笛音效果，但不产生气体的可燃物燃烧对笛音效果不产生影响，可增添光色或其它效果。

以上仅是对笛音效果药的初步探索，为寻求新的优质笛音剂或改善生产工艺提供一些支持，但仍有许多工作有待人们去开展。

[1]兰海康.笛音剂与化学结构的联系[J].花炮科技与市场,1994,1(1):20-21.

[2]QB/T 1942-1994 爆竹 声级值的测定[S],1994.